Optimierte Integration von HTWP am Beispiel von Brauereien

Diese Arbeit umfasst die Erstellung einer Methodik zum Vergleich von optimierten Energiesystemstrukturen in kontinuierlichen, diskontinuierlichen und Batch-Prozessen, welche Integrationen von Hochtemperatur-Wärmepumpen enthalten. Dazu wird eine Optimierung der Gesamtkosten im System als gemischt-ganzzahlige lineare Optimierung durchgeführt. Diese beinhaltet sowohl eine optimierte Betriebsweise als auch optimierte Kapazitäten der Systemkomponenten und somit eine optimierte Systemstruktur. Zudem besteht die Möglichkeit der Begrenzung von zulässigen Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2-Emissionen). Für die dazu notwendigen Optimierungsmodelle werden allgemeine Teilkomponenten zur Prozessmodellierung erstellt, die für verschiedene Prozesse eingesetzt werden können.
Die erstellte Methodik wird auf Brauereiprozesse als Beispiel angewendet. Hierzu wird ein Optimierungsmodell eines Brauereiprozesses zur Produktion von Pilsener erstellt, in welches verschiedene Anpassungen des Energiesystems als mögliche Konzepte eingebracht werden. Aus der Anwendung lassen sich mehrere, zielabhängige, optimierte Prozessstrukturen sowie hierzu führende Integrationspfade ableiten. Zusätzlich können unterlegene Prozesskonzepte im Vergleich der Prozessstrukturen verworfen und CO2-Vermeidungskosten ermittelt werden.
Die Ergebnisse zeigen eine Zielabhängigkeit der optimierten Systemstruktur und eine Notwendigkeit Wärmepumpen als Teil eines Wärmerückgewinnungssystems sowie als Effizienzmaßnahme zu integrieren, um optimierte Systeme zu erhalten. Wärmepumpen, als Einzelmaßnahmen ohne weitere Integrationen, erfüllen dies nicht. Zusätzlich wird gezeigt, dass einfache Wärmepumpensysteme bereits unter heutigen Bedingungen gesamtkostenminimale Systeme darstellen. Dies ist auch der Fall, wenn ein Gaskessel im Bestand vorhanden ist und ein zentraler Elektrodenkessel als mögliche Alternative eingesetzt werden kann. Sinkt zudem das Strom-Gaspreis-Verhältnis auf einen Wert von 2,0 oder es werden nicht konstante Marktpreise als Preisgrundlage eingesetzt, stellen komplexere Wärmepumpen-Systeme - aus mehreren integrierten Wärmepumpen - gesamtkostenminimale Systeme dar. Bei Zielen, die von einer reinen Kostenminimierung abweichen, sind komplexere Wärmepumpensysteme ebenfalls optimale Systeme. Diese Ziele können die Minimierung von externen Energiebezügen, Betriebskosten oder CO2-Emissionen sein.